文山市不同生態(tài)區(qū)土壤養(yǎng)分的時空異質性及適宜性

王 政，張曉龍，敖金成*，陳庭慧，余東燦，盧 葉，趙暢榮

（1.廣西中煙工業(yè)有限責任公司，南寧 530001；2.云南瑞升煙草技術（集團）有限公司，昆明 650106；3.云南省煙草公司文山州公司，云南 文山 663000）

文山市不同生態(tài)區(qū)土壤養(yǎng)分的時空異質性及適宜性

王 政1，張曉龍2，敖金成2*，陳庭慧3，余東燦3，盧 葉2，趙暢榮2

（1.廣西中煙工業(yè)有限責任公司，南寧 530001；2.云南瑞升煙草技術（集團）有限公司，昆明 650106；3.云南省煙草公司文山州公司，云南 文山 663000）

為了明確文山市不同生態(tài)區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質性及適宜性，給烤煙種植區(qū)劃及養(yǎng)分調控提供參考依據(jù)，采用描述性統(tǒng)計分析、聚類分析、主成分分析和模糊數(shù)學隸屬函數(shù)方法對2011—2015年文山市4個生態(tài)區(qū)1100份土壤樣品進行了分析。結果表明，文山市不同生態(tài)區(qū)土壤pH，有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量具有明顯的時間異質性，速效氮和速效鉀含量偏低，有機質和速效磷含量相對豐富。pH中強度變異，有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量強變異，具有較強的空間異質性，可聚為3類。平均土壤適宜性指數(shù)（SFI為0.50）偏低。結果說明，文山市4個生態(tài)區(qū)植煙土壤主要養(yǎng)分均質性和適宜性較低，整體以西南陡坡區(qū)土壤適宜性相對較好。

文山市；土壤養(yǎng)分；時空異質性；土壤適宜性指數(shù)

受自然因素和人為因素的影響，土壤是時空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質性[1]。但在特定的研究區(qū)域內，由于母質差異引起的空間變異將逐漸縮小，而人類干擾活動和小尺度生態(tài)環(huán)境對土壤養(yǎng)分含量的變化有著深遠影響[2]。因此，研究土壤養(yǎng)分的空間變異性，對了解土壤的形成過程、結構和功能[2-4]，以及土壤養(yǎng)分資源的科學管理和合理利用，有針對性地采取合理施肥技術，保持和提高土壤肥力，對促進區(qū)域農業(yè)發(fā)展等具有十分重要的理論和實踐意義[5-7]。同時，研究土壤養(yǎng)分的時空異質性，也是實現(xiàn)烤煙種植科學布局的重要依據(jù)[8-10]。

文山市地處東經103°43＇～104°27＇，北緯23°06＇～23°44＇，北回歸線橫穿市境，年平均降雨量1187.8 mm，年平均溫18.4 ℃，年平均晝夜溫差11.7 ℃，位于云南烤煙生產的“黃金走廊”，也是全國最大的三七種植和加工基地，因而烤煙種植面積與三七種植面積基本呈交替演變態(tài)勢。另外，文山市地形地貌屬滇東南巖溶山區(qū)，喀斯特巖溶地貌突出，總體地勢西北高，東南低，西北坡度多在25°以上，地形地貌較復雜。近年來，由于三七藥材的大面積種植和土地資源的不合理利用模式，土壤嚴重退化已成為共識。在這種特定的生態(tài)環(huán)境和種植模式下，了解文山市土壤理化性狀演化態(tài)勢，對開展烤煙種植區(qū)劃和土壤養(yǎng)分調控具有一定的實踐意義。之前關于土壤養(yǎng)分時空異質性研究較多[3,7,11]，對文山市土壤養(yǎng)分空間異質性研究也有一定報道[12-13]，但關于文山市土壤主要養(yǎng)分的時空異質性及適宜性評價鮮見報道。本研究以文山市不同生態(tài)區(qū)耕地為研究對象，采用描述性統(tǒng)計法、聚類分析、主成分分析和模糊數(shù)學相結合的方法研究了文山市土壤主要養(yǎng)分時空異質性及適宜性特征，以期為區(qū)域烤煙種植區(qū)劃和土壤養(yǎng)分調控提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

遵循均勻性、代表性原則，于2011—2015年連續(xù)5年對文山市東南中低峰叢區(qū)、西北中低山丘陵區(qū)、西南陡坡區(qū)、中部中低山區(qū)4個典型生態(tài)區(qū)的12個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）耕地進行定位取樣，共取樣品1100份。土壤樣品的采集選擇在前茬作物收獲后，烤煙移栽起壟施肥前進行。取樣時，以定位點為中心，以半徑10 m的圓形區(qū)域多點（5個點）混合取樣，取樣深度0～20 cm，按照四分法留取1.0 kg土壤樣品。土壤經風干、磨細、過篩后備用，pH、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀的測定參照文獻[14]方法進行。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0和Excel 2007進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和作圖。

1.3 模糊綜合評價法

根據(jù)文獻[9,15-18]和生產實際，確定土壤指標的隸屬函數(shù)，以及各指標的拐點和閾值（表1）。植煙土壤養(yǎng)分pH、有機質和速效氮符合拋物型函數(shù)，速效磷和速效鉀屬于S型隸屬函數(shù)，公式如下所示：

拋物型隸屬函數(shù)：

S型隸屬函數(shù)：

公式中x1、x3、x4、x2分別代表下限值、最優(yōu)值下限、最優(yōu)值上限、上限，各指標的拐點和閾值。

表1 土壤適宜性評價隸屬函數(shù)的拐點和閾值Table 1 The inflection points and threshold values of membership function of soil suitability

采用主成分分析方法，選取積累方差貢獻率大于72.86%的主成分，共篩選到pH、有機質、速效氮3個主成分，根據(jù)各指標公共因子方差，確定各指標的權重系數(shù)[16]。并根據(jù)加乘法則，計算出土壤適宜性綜合指標（SFI）。計算公式如下所示：

采用SPSS17.0進行土壤指標的統(tǒng)計分析，式中，Nij和Wij分別表示第i個生態(tài)環(huán)境，第j個土壤指標的隸屬度值和權重系數(shù)。

2 結 果

2.1 不同生態(tài)區(qū)土壤主要養(yǎng)分的時間異質性

2.1.1 pH和有機質年際變化 文山市不同生態(tài)區(qū)土壤pH具有明顯的時間異質性（圖1）。從pH年際變化可以看出，除西北中低山丘陵區(qū)土壤pH呈“降-升-降”趨勢，且變幅較大外，其余3個生態(tài)區(qū)pH均呈先升后降的態(tài)勢。東南中低峰叢區(qū)pH 6.5~6.9，偏離優(yōu)質煙生產pH要求范圍，西南陡坡區(qū)pH 5.8～6.3，屬于優(yōu)質煙葉生產pH要求范圍。文山市不同生態(tài)區(qū)土壤有機質含量具有明顯的時間異質性（圖2）。從圖2可知，4個生態(tài)產區(qū)土壤有機質含量基本處于中等偏上水平，以西南陡坡區(qū)土壤有機質含量年際動態(tài)幅度較小，且含量較豐富（30.6～33.4 g/kg），中部中低山區(qū)（22.51～31.87 g/kg）和西北中低山丘陵區(qū)（18.81～27.18 g/kg）總體呈先降后升趨勢，東南中低峰土壤有機質含量則呈現(xiàn)“降-升-降”態(tài)勢。

圖1 土壤pH年際動態(tài)特征Fig.1 The dynamic characteristics of soil pH values

圖2 土壤有機質含量年際動態(tài)特征Fig. 2 The dynamic characteristics of organic matter contents

2.1.2 不同生態(tài)區(qū)速效養(yǎng)分年際變化 文山市不同生態(tài)區(qū)土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量年際間存在明顯的時間異質性（圖3～5）。參照敖金成等[4]土壤速效養(yǎng)分評價方法，文山市不同生態(tài)區(qū)土壤速效氮和速效鉀含量普遍偏低，速效磷含量相對豐富，養(yǎng)分調控時應采取“增氮穩(wěn)磷增鉀”措施。

圖3中，西北中低山丘陵區(qū)、西南陡坡區(qū)、中部中低山區(qū)土壤速效氮含量年際間均呈“升-降-升”態(tài)勢，東南中低峰叢區(qū)整體呈“降-升-降-升”循環(huán)趨勢。東南中低峰叢區(qū)和中部中低山區(qū)2011—2015年間土壤速效氮含量均較低（＜150 mg/kg），且多 年接近臨界點（≤100 mg/kg），西北中低山丘陵區(qū)整體處于中等偏上水平。

圖4中，東南中低峰叢區(qū)土壤速效磷含量年際間呈“降-升-降-升”交替趨勢，且多年處于豐富水平（≥40 mg/kg）。西北中低山丘陵區(qū)土壤速效磷含量年際間變輻較小，且多年均處于低水平（＞10～≤20 mg/kg）。西南陡坡區(qū)和中部中低山區(qū)土壤速效磷含量年際間呈緩慢升高態(tài)勢，且含量均處于中等偏上水平（＞20～≤40 mg/kg）。

圖5中，4個生態(tài)區(qū)土壤速效鉀含量整體較低。除中部中低山區(qū)土壤速效鉀含量多年處于中等水平（＞150～≤220 mg/kg），且年際間變輻較小外，其余3個生態(tài)區(qū)土壤速效鉀含量均處于較低水平（＞100～≤150 mg/kg）或臨界點水平（≤100 mg/kg）。東南中低峰叢區(qū)和西北中低山丘陵區(qū)土壤速效鉀含量年際間呈“降-升-降”態(tài)勢，西南陡坡區(qū)土壤速效鉀含量年際間呈“升-降-升”態(tài)勢。

圖3 土壤速效氮含量年際動態(tài)變化Fig. 3 The dynamic characteristics of available N contents

圖4 土壤速效磷含量年際動態(tài)變化Fig. 4 The dynamic characteristics of available P contents

圖5 土壤速效鉀含量年際動態(tài)變化Fig. 5 The dynamic characteristics of available K contents

2.2 不同生態(tài)區(qū)土壤主要養(yǎng)分空間異質性及適宜性評價

2.2.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計分析及聚類特征 不同生態(tài)區(qū)土壤pH，有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量的變異強度評價參照薛正平等[17]的三級評價方法進行。從表2知，4個生態(tài)區(qū)pH屬于中等變異，區(qū)域間存在極顯著差異（P＜0.01），有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量區(qū)域間強變異，且區(qū)域間差異顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01），以區(qū)域間速效磷變異強度最大（CV≥64%），速效鉀次之（CV≥48%）。聚類結果也表明（圖6），文山市4個生態(tài)產區(qū)土壤主要養(yǎng)分可聚為3類，即西北中低山丘陵區(qū)和西南陡坡區(qū)聚為第Ⅰ類，表現(xiàn)在速效氮含量均較高，東南中低峰叢區(qū)聚為第Ⅱ類，表現(xiàn)在速效磷含量較高，速效氮含量較低，中部中低山區(qū)聚為第Ⅲ類，表現(xiàn)在速效鉀含量較高。以上結果說明，文山市4個生態(tài)區(qū)間土壤主要養(yǎng)分存在明顯的空間異質性，各生態(tài)區(qū)主要養(yǎng)分的均質性較低，整體以西南陡坡區(qū)均質性稍好。

表2 土壤主要養(yǎng)分描述性統(tǒng)計Table 2 Descriptive statistics of soil nutrients

圖6 不同生態(tài)產區(qū)土壤主要養(yǎng)分聚類結果Fig. 6 Cluster results of main soil nutrients in different ecological regions in Wenshan city

2.2.2 不同生態(tài)區(qū)土壤適宜性評價 土壤適宜指數(shù)（SFI）分布情況顯示（圖7），文山市4個生態(tài)區(qū)土壤適宜指數(shù)在0.48～0.52，平均SFI值為0.50，4個生態(tài)產區(qū)土壤SFI值均小于0.60，說明絕大數(shù)植煙土壤主要養(yǎng)分屬含量中等偏下水平，適宜性指數(shù)較低。烤煙種植區(qū)劃時，應加強土壤改良、測土配方施肥等措施，以提高區(qū)域養(yǎng)分的均質性，保障耕地的可持續(xù)性利用。

圖7 文山市4個生態(tài)區(qū)土壤適宜性指數(shù)（SFI）分布Fig. 7 The distribution of soil feasibility index(SFI) in different ecological regions of Wenshan city

3 討 論

文山市4個生態(tài)區(qū)土壤pH值，有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量存在明顯的時空異質性，均質性較差，且土壤適宜性指數(shù)整體偏低。

王政權等[20]研究森林土壤物理性質的空間異質性時指出，氣候、母巖、地形、植被的不同，形成了各種土壤類型，其土壤性質存在明顯差異，即使在同一土壤類型區(qū)，土壤的某些性質在空間上也具有很大的差異。本研究中，文山市不同生態(tài)區(qū)土壤pH，有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量年際間存在明顯的時間異質性，其中，pH（5.8～6.3）相對適宜，有機質含量均處于中等偏上水平，明顯高于我國植煙土壤有機質平均含量（15 mg/kg）[21]，與王杉杉等[22]對云南“黃金走廊”土壤腐殖質組成及含量研究結論一致。從多年速效養(yǎng)分含量來看，文山市4個生態(tài)區(qū)土壤普遍存在氮素和鉀素含量偏低，磷素含量相對豐富，養(yǎng)分調控時應采取“增氮穩(wěn)磷增鉀”措施。

從文山市2015年4個生態(tài)產區(qū)土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計分析看，區(qū)域間pH屬中等變異（10%≤CV≤30%），且差異極顯著（P＜0.01），反映了區(qū)域土壤pH的異質性，與高美榮等[23]對紫色土坡地尺度土壤養(yǎng)分的空間變異特性結果一致。有機質（CV為31.45%～34.7%）、速效氮（CV為35.6%～56.5%）、速效磷（CV為64.1%～118.3%）、速效鉀含量（CV為48.15%～58.2%）區(qū)域間強變異，且區(qū)域間存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）差異，說明文山市不同生態(tài)產區(qū)土壤主要養(yǎng)分均質性較差，異質性較強，養(yǎng)分管理上應遵循分類指導，并適量補充土壤速效養(yǎng)分含量。結合文山市地勢（西北高，東南低）的區(qū)域特征和聚類分析結果可以看出，西北中低山丘陵區(qū)和西南陡坡區(qū)地勢相對高的區(qū)域，土壤主要養(yǎng)分區(qū)域特征較為相似，而東南中低峰叢區(qū)和中部中低山區(qū)異質性較強，這可能與壩區(qū)土地的復種指數(shù)大，人為擾動相對頻繁有關。

在一定農業(yè)生態(tài)條件下，土壤養(yǎng)分在時間和空間上的供應狀況是影響作物生長發(fā)育和產量水平最為重要的因素之一[24-25]，而適宜的植煙土壤是提高煙葉產量和品質的重要基礎和保障[26-27]，土壤中任何一種養(yǎng)分的缺乏或過量，直接影響著煙株的生長發(fā)育和煙葉品質的提高[28-29]。試驗中，文山市土壤適宜指數(shù)（SFI）在0.48～0.52，平均SFI值為0.50，說明文山市4個生態(tài)產區(qū)土壤適宜性指數(shù)偏低，區(qū)域絕大多數(shù)地塊烤煙種植適宜性較差，種植區(qū)劃時應加強土壤養(yǎng)分調控水平，以滿足優(yōu)質煙葉生長的養(yǎng)分需求。

[1] Huggett R J. Soil chronosequences, soil development, and soil evolution a critical review[J]. Catena，1998, 32: 155-172.

[2] Lin H S, Wheeler D, Bell J, et al. Assessment of soil spatial variability at multiple scales[J]. Ecological Modelling, 2005, 182: 271-290.

[3] 劉玲，王海燕，戴偉，等．長白山低山區(qū)森林土壤有機碳及養(yǎng)分空間異質性[J]．應用生態(tài)學報，2014，25（9）：2460-2468．

[4] 彭晚霞，王克林，宋同清，等．喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)復合退化控制與重建模式[J]．生態(tài)學報，2008，28（2）：811-820．

[5] 敖金成，劉世文，羅華元，等．昆明煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分及中微量元素豐缺狀況分析[J]．西北農林科技大學學報：自然科學版，2013，41（10）：193-199．

[6] 李強，周冀衡，楊榮生，等．曲靖植煙土壤養(yǎng)分空間變異及土壤肥力適宜性評價[J]．應用生態(tài)學報，2011，22（4）：950-956．

[7] 楊奇勇，楊勁松，劉廣明．土壤速效養(yǎng)分空間變異的尺度效應[J]．應用生態(tài)學報，2011，22（2）：431-436．

[8] 許龍，李忠環(huán)，陳榮平，等．昆明市植煙土壤2002—2006年養(yǎng)分狀況變化動態(tài)分析[J]. 土壤，2009，41（2）：282-287．

[9] 敖金成，薛紅芬，劉世文，等．石林煙區(qū)植煙土壤養(yǎng)分動態(tài)變化及施肥對策[J]．云南農業(yè)大學學報，2012，27（6）：845-850．

[10] 黃元炯，張翔，范藝寬，等．河南煙區(qū)土壤硫、鎂及微量元素的含量及分布[J]．煙草科技，2005（3）：33-36．

[11] 范夫靜，宋同清，黃國勤，等．西南峽谷型卡斯特坡地土壤養(yǎng)分的空間變異特征[J]．應用生態(tài)學報，2014，25（1）：92-98．

[12] 李衛(wèi)，張樹鋒，向成高，等．云南文山煙區(qū)土壤有機質的時空分布特征[J]．中國煙草科學，2014，35（6）：44-47．

[13] 殷紅慧，許龍，馮坤，等．文山植煙土壤有機質和氮含量的研究[J]．云南農業(yè)大學學報，2015，30（6）：902-908．

[14] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]． 北京：中國農業(yè)出版社，2000：30-107．

[15] 許自成，黎妍妍，肖漢乾，等．湘南煙區(qū)生態(tài)因素與烤煙質量的綜合評價[J]．植物生態(tài)學報，2008，32（1）：226-234．

[16] 李錫宏，林國平，黎妍妍，等． 恩施州烤煙種植氣候適生性與土壤適宜性研究[J]．中國煙草科學，2008，29（5）：18-21．

[17] 楊美仙，亞平，何元勝，等．臨滄植煙土壤養(yǎng)分豐缺狀況分析[J]．云南農業(yè)大學學報，2014，29（2）：269-277．

[18] 裴瑞杰，方麗，胡述曉，等．南陽市植煙土壤養(yǎng)分狀況評價[J]．河南農業(yè)科學，2014，43（8）：54-56．

[19] 薛正平，楊星衛(wèi)，段項鎖，等．土壤養(yǎng)分空間變異及合理取樣數(shù)研究[J]．農業(yè)工程學報，2002，7（4）：6-9．

[20] 王政權，王慶成．森林土壤物理性質的空間異質性研究[J]．生態(tài)學報，2000，20（6）：945-950．

[21] 曹鵬云，魯世軍，張務水．植煙土壤有機質含量與有機肥使用概況[J]．中國煙草科學，2004，10（6）：40-42．

[22] 王杉杉，盧秀萍，許自成，等．云南黃金走廊煙區(qū)土壤腐殖質組成特征及其與土壤理化性狀的關系[J]．中國農業(yè)科技導報，2016，18（1）：154-163．

[23] 高美榮，朱波，黃菊英，等．紫色土坡地尺度土壤養(yǎng)分的空間變異特性[J]．西南農業(yè)學報，2007，20（6）：1241-1245．

[24] 黃紹文，金繼運，楊俐萍，等．縣級區(qū)域糧田土壤養(yǎng)分空間變異與分區(qū)管理技術研究[J]．土壤學報，2003，40（1）：79-88．

[25] 自由路，金繼運，楊俐萍，等．農田土壤養(yǎng)分變異與施肥推薦[J]．植物營養(yǎng)與肥料學報，2001，7（2）：129-133．

[26] 許自成，王林，王金平，等．湖南烤煙化學成分與土壤有機質含量的關系[J]．生態(tài)學雜志，2006，25（10）：1186-1190．

[27] Ju X T, Chao F C, Li C J, et al. Yield and nicotine content of flue-cured tobacco as affected by soil nitrogen mineralization[J]. Pedosphere, 2008, 18: 227-235.

[28] 郭培國，陳建軍，李榮華．pH值對烤煙根系活力和煙葉化學成分的影響[J]．中國農業(yè)科學，2000，33（1）：39-45．

[29] 陳義強，劉國順，習紅昂．微尺度下煙田鐵的空間變異性及其與煙葉鐵的相關分析[J]．生態(tài)學報，2009，29（3）：1449-1458.

Spatial-temporal Heterogeneity and Suitability of Soil Nutrients in Different Ecological Regions of Wenshan City

WANG Zheng1, ZHANG Xiaolong2, AO Jincheng2*, CHEN Tinghui3, YU Dongcan3, LU Ye2, ZHAO Changrong2

(1. China Tobacco Guangxi Industrial Co., Ltd., Nanning 530001, China; 2. Yunnan Reascend Tobacco Technology (Group) Co., Ltd., Kunming 650106, China; 3. Wenshan Tobacco Company of Yunnan Province, Wenshan 663000, China)

To study the temporal and spatial heterogeneity, suitability of soil nutrients in distinct ecological regions of Wenshan city and to provide references for tobacco planting plan and nutrient control, 1100 soil samples collected from indifferent ecological regions of Wenshan city in 2011-2015 were analyzed by classic statistics, cluster analysis, principal component analysis, fuzzy mathematics methods. The results showed that in different ecological regions of Wenshan city, soil pH value, contents of organic matter, available N, available P and available K had obvious temporal heterogeneity. The available N, available K contents were low, while the organic matter and available P content were relatively rich. The variation intensity of soil pH was moderate, contents of organic matter, available N, available P and available K showed strong variation. Obvious spatial heterogeneity was observed, and the regions could be grouped into three categories. The average of soil feasibility index (SFI) 0.50 was low. These results suggested that the homogeneity and suitability of different ecological regions of Wenshan city are relatively low, with the suitability of the southwest steep slope region being relatively good.

Wenshan city; soil nutrient; temporal and spatial heterogeneity; soil feasibility index

S572.061

1007-5119（2016）06-0037-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.06.007

廣西中煙工業(yè)有限責任公司科技項目“提升‘真龍’品牌文山煙葉質量的生產關鍵技術研究”（GXZYCX2016B019）

王 政（1978-）男，碩士，農藝師，主要從事優(yōu)質煙葉生產技術研究及管理。E-mail：16627843@qq.com *通信作者，E-mail：kingcheng18@aliyun.com

2016-04-12

2016-09-05